摘要
为提高规模化养殖场的沼气工程中沼液增值化利用水平，本研究对低碳氮比（C/N）沼液采用葡萄糖碳源添加进行沼液本土微生物富集培养，以实现沼液废水处理和养分回收增值化利用。对初始C/N为1.5的猪场沼液分别添加2、4、6、8和10 g/L的葡萄糖碳源，碳源添加后OD600均呈先升后降趋势，且在第2~3 天达到最大值，葡萄糖碳源添加量为6 g/L时总蛋白增长率（145.8%）为各组最高。综合经济性，选取最佳沼液本土微生物富集培养条件为葡萄糖添加量6 g/L、处理时间2 d，此时沼液的总氮和总磷去除率分别为66.1%、77.5%，同时通过沼液本土微生物富集增加生产了2.44 g/L的生物干质量和0.72 g/L的总蛋白，回收了29.0%的总氮和59.7%的总磷。研究结果表明，沼液本土微生物富集培养可有效用于沼液氮磷养分回收，获得微生物干质量和蛋白增长，同时可作为沼液深度处理的预处理手段。
对畜禽粪便进行无害化处理并加以增值化利用，是我国未来养殖业实现可持续发展的重
在众多废水处理方法中，微生物处理法因成效显著、成本低廉、无二次污染等优势，已成为研究热点之一。目前，大部分相关研究集中在单菌种微生物鉴定及其应用上，例如泛养硫球菌、粪产碱菌、恶臭假单胞
研究表明培养有机废水中的本土微生物可以有效处理废水并回收养分。有研究者在利用沼液本土混合菌群处理沼液时发现混合菌群对沼液中氮磷养分显示出良好的去除效果，并且生物量增加到初始量的1.75倍，可作为净化高浓度沼液的有效菌群，具有微生物增殖的较大潜
在沼液本土微生物培养时，沼液碳氮比是关键控制参数。沼液中无机氮去除需要提高有机废水中碳氮比（C/N）来促进异养微生物生长，因沼液C/N较低则需额外提供有机碳，但最佳有机碳添加量则需根据微生物在沼液中生长和水质处理情况来确
沼液取自湖北省武汉市江夏区中粮集团沼气站。发酵原料为猪厂污水，35 ℃中温发酵。取回后的沼液置于阴凉处15 ℃密闭储存，待试验时取用。试验所用沼液的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）为（1 147.3±25.7） mg/L，总氮（total nitrogen，TN）、铵氮、硝氮、亚硝氮、总磷（total phosphorus，TP）质量浓度分别为（787.08±20.50）、（542.5±13.6）、（3.16±2.10）、（0.25±0.02）、（15.60±5.21） mg/L，蛋白质质量浓度为（0.66±0.12） g/L。
葡萄糖是污水处理培菌常用碳源，为确定最佳葡萄糖添加量，向处理组的沼液中分别添加2、4、6、8和10 g/L的葡萄糖（国药集团化学试剂有限公司），并设置不添加葡萄糖的0 g/L对照组。根据异养微生物将沼液中的所有无机氮转化为微生物生物量时所消耗的有机碳量以确定试验组中葡萄糖最高添加量为10 g/
1）水质检测。沼液样品于8 000 r/min 下离心10 min，重复离心2次后取上清液进行水质检测。pH值采用METTLER TOLEDO FE28型pH计（上海梅特勒-托利多）测定； TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；铵氮（NH
| % | （1） |
2）本土微生物的生物量特征评价。根据微生物学中的标准定性测定微生物生长曲线的方法，通过测定处理后的培养液在600 nm波长处的吸光值（OD600）来指示菌体细胞密度，采用紫外分光光度计（日立UH5300）测定，并用初始沼液作为空白进行调零操
3）数据分析处理。采用SPSS19.0、Excel 2016和Origin 2018进行统计分析和作图。
沼液本土微生物在培养过程中 OD600 的变化情况如
图1 不同葡萄糖添加量下沼液OD600（A）和总蛋白质量浓度（B）的变化
Fig.1 Changes of OD600（A） and total protein （B） in biogas slurry with different glucose additions
本土异养微生物可以直接从沼液中吸收铵氮产生细胞蛋白，蛋白质是组成微生物的重要成分，总蛋白质量浓度越大说明沼液本土微生物生长情况越
分别选取0、2、6和10 g/L处理组作为不添加、少量添加、适量添加和过量添加葡萄糖组，观察沼液本土微生物OD600和总蛋白质量浓度变化规律。对照组在第2 天和第3 天时微生物数量几乎未发生变化，而2、6和10 g/L处理组则有明显增长（
图2 显微镜下的沼液本土微生物
Fig.2 Indigenous microorganisms in biogas slurry under microscope
沼液处理过程中总氮和铵氮的质量浓度变化如
图3 不同葡萄糖添加量处理下沼液TN（A）、NH
Fig.3 Changes of TN（A），NH
各试验组硝态氮浓度都呈先降后升趋势（
沼液本土微生物能对磷有效回收利用（
图4 不同葡萄糖添加量处理对沼液TP（A）、COD（B）及pH（C）的影响
Fig.4 Effect of different glucose addition on TP（A），COD（B） and pH（C） of biogas slurry
COD去除率是确定沼液最佳处理条件的关键指标之一。对照组沼液初始COD为1 147.3 mg/L，沼液的初始COD浓度因葡萄糖的添加量不同而呈现梯度差异，随后除了对照组以外，各试验组中COD都得到了较好的去除（
各组pH值变化趋势较为一致（
综合考虑沼液本土微生物生长情况及处理水质情况，从节约成本的角度考虑选用6 g/L葡萄糖添加量，微生物培养时间为2 d，进行工艺过程养分质量平衡及工艺经济效益分析。
1）工艺过程养分质量平衡分析。以1 t沼液为基准，添加6 kg葡萄糖处理沼液2 d后，沼液本土微生物富集过程中的氮磷质量平衡分析如
图5 沼液本土微生物富集氮磷质量平衡分析
Fig.5 Mass balance analysis of N and P enrichment by indigenous microorganisms in biogas slurry
在该工艺下沼液总氮下降了520.30 g，去除率为66.1%，本土微生物利用了其中150.76 g总氮，回收率达到29.0%。在其他沼液本土微生物培养研究中，沼液总氮去除率为78%，高于本工艺，但对总氮的回收率低于本工艺，仅为19
有研究利用絮凝剂来处理沼液时总磷去除率达 57.0%，低于本工艺77.5%的总磷去除率，说明本工艺对总磷的去除效果优于部分絮凝剂对总磷的去
2）工艺经济效益分析。本工艺成本来自物料、能耗两个方面。物料成本主要来源于碳源，能耗包括加热等运行费用。收益方面主要来源于富集本土微生物制成的生物菌肥，以及因沼液氮磷去除而节省的后端深度处理费用，此处仅以生物菌肥效益计入。在能耗方面，一般沼气工程中温发酵产生的沼液温度为35 ℃，而本工艺28 ℃即可运行，因此只需将待处理沼液降温后在保温状态下运行，无需额外加热费用。物料成本方面采用98%的工业级葡萄糖（400 元/t）为碳源，1 t沼液需添加约6.20 kg工业级葡萄糖，需花费2.48 元。生物菌肥价格按1 300 元/t计，本工艺中1 t沼液可生产4.11 kg生物干质量，因此菌肥收益约为5.34 元/t。该工艺可用于沼液深度处理的前端预处理手段，为实际工程提供参考。
规模化养殖场的沼气工程中常因沼液无法就近消纳导致环境氮磷污染问题，使得沼液氮磷养分回收技术受到更多关注。本研究对低碳氮比（C/N）沼液采用葡萄糖添加进行沼液本土微生物富集培养，实现了沼液废水处理和养分回收增值化利用。
本研究同一培养时间段葡萄糖添加量越多的试验组其OD600越大，但8 g/L和10 g/L 处理组相对于6 g/L的增幅较小，可见，当葡萄糖添加量达到6 g/L后继续增加添加量对微生物增殖促进较小，在 6 g/L添加量时，反映微生物增殖的OD600值在第2天达到最大值1.5。不同于OD600的是，总蛋白质量浓度的最大值出现要比OD600早1 d左右，可能是因为沼液本土微生物在最开始时不会立即进行繁殖，需经一段时间自身调整，诱导合成必要的酶、辅酶或合成某些中间代谢产物，此时细胞质量增加，体积增大，但不分裂繁殖，导致其总蛋白质量浓度很高而OD600值变化不大，之后微生物会消耗部分蛋白质来进行生长繁殖等代谢活动。而对照组的总蛋白含量的变化幅度均较小，说明沼液本土微生物在无外加有机碳的情况下生长受限。从经济性考虑，当葡萄糖添加量为6 g/L，培养时间控制在2 d时即可达到沼液本土微生物的最佳生长繁殖效果。
在进一步对培养过程中的沼液水质进行测量时发现，葡萄糖添加量为6 g/L的试验组对于沼液氮磷元素的去除效果在各试验组中也是最优的，相较于0、2和4 g/L葡萄糖添加量组，6 g/L葡萄糖添加量组对沼液中N、P及COD去除率更高，而8和10 g/L这种高葡萄糖添加量组对污染物的去除效果与6 g/L葡萄糖添加量组也相差不大。在处理2 d的条件下，6 g/L葡萄糖添加量组对沼液TN与TP去除率分别达到了66.1%和77.5%，其中去除总氮量的29.0%和去除总磷量的59.7%被沼液本土微生物利用，生物质量浓度从初始的1.67 g/L上升至4.11 g/L，增加了2.44 g/L，总蛋白质量浓度从初始的0.66 g/L上升至1.38 g/L，增加了0.72 g/L。通过简单的经济性分析后可知，该工艺处理沼液所需物料成本为2.48 元/t，并在处理后可获得约5.34 元/t的菌肥收益，具有很好的应用潜力。
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